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图像光导识别材料开启大面积指纹识别新时代
2019-12-20 09:12
来源:科技日报
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  随着科技的发展,手机从原来的“大哥大”发展到智能手机,体积越来越小、屏幕越来越大、功能越来越多。2017年以来,“刘海屏”“水滴屏”的相继问世,在“全面屏”智能手机领域掀起一场风暴。

  在智能手机升级换代速度加快的同时,也有消费者反馈,屏下指纹解锁使用体验还需进一步改善。例如,指纹识别区域面积小,被限定在固定位置,使用时必须找准位置才能解锁,不够方便;只能实现单指识别,安全性与多指解锁相比低;通讯录等关键应用不能用指纹解锁,私密性不够强。这些问题和不足成为制约屏下光学指纹识别技术规模应用的瓶颈。

  近日,中国建筑材料科学研究总院有限公司(以下简称中国建材总院)微光夜视核心材料研发创新团队研发和产业化的一项“黑科技”突破了这一瓶颈。

  从实验室成果到原理性样品

  早在2015年,国内某指纹模组公司便计划开展大面积指纹识别模组制备,利用光纤原理实现微弱指纹信号的精准传输,并与国内光纤制品企业开展合作。

  由于材料、工艺及装备等技术难度大,样品性能迟迟满足不了要求,用户一度想放弃该技术方案。

  2017年初,该指纹模组公司在层层追溯光纤制品的起源和发展后,找到了中国建材总院玻纤院微光夜视核心材料研发创新团队。

  第一次来玻纤院技术交流,并参观了光纤面板研发生产基地和绿色建筑材料国家重点实验室后,公司对中国建材总院团队的科技创新实力给予了高度评价,也增强了合作的信心。

  中国建材总院微光夜视核心材料团队曾研发出我国第一片光纤面板、第一片微通道板,是我国规模最大、技术水平最高的微光夜视核心材料配套单位,也是国际知名的微光夜视核心材料供应商。

  根据指纹识别模组的特殊应用需求,中国建材总院组织了高水平的攻关团队,由学术带头人、教授级高工贾金升牵头,汇聚了在光纤制品研发生产上具有丰富经验和技术积累的众多工程师和博士,涵盖了从材料、工艺、装备的各个环节。攻关团队迅速制定技术方案和路线图,从光纤传输的原理出发,摒弃传统光纤面板高数值孔径的技术路线,采取全新的光纤阵列结构研发出新型玻璃材料,仅用一个月,第一批原理样品便被送往指纹模组公司进行原理验证。

  指纹模组公司收到样品后,感到非常震惊,这个时间比预期提前了2个月。这么短时间内将样品研发出来,产品性能可靠吗?心存疑虑的公司工程师们对样品开展了性能测试和应用试验,结果远超预想,也超过了之前与其他合作方研制的样品,真正实现了指纹信号的清晰探测和识别。

  公司对中国建材总院团队的研发实力刮目相看,也坚定了继续做好屏幕指纹识别模组的信心。

  但贾金升并没有满足,他果断指出第一代原理样品在光谱透过率、信号准直角度、防干扰能力、超薄尺寸等方面还存在很多问题。

  于是项目团队又开始了艰辛的攻关过程。

  贾金升印象深刻的、最艰难的技术攻关发生在2018年4月。用户不仅提出要将材料厚度由0.8mm降至0.4mm,减少占用电池空间,同时要求必须具备优异的防阳光干扰能力。检测要在正午太阳光下进行,由小拇指很小的女生进行指纹解锁测试,要求十分苛刻。

  研发团队不畏挑战、迎难而上,从高效光吸收材料、结构设计等方面入手,历时18个月,研发的样品由1.0提升到5.0,先后研制完成了6组不同的材料成分设计和熔制成型工艺,形成了一大批原创技术和专用设备、工装,实现了全流程、全链条的创新。

  2018年6月,材料和工艺定型,在全球范围内首次成功研制出大面阵、超薄化、高性能、低成本的图像光导识别材料。

  异地实现成果转化、产业化

  研发过程中,图像光导识别材料及其指纹识别模组受到智能手机厂商的高度关注。

  2018年2月26日,在世界移动通信大会(MWC 2018)上,vivo公司发布了APEX概念手机。该手机首次应用中国建材总院研发的图像光导识别材料,实现了大面积屏下光学指纹识别(占屏幕的40%),可实现多指纹同步解锁,与当时主流的单点式指纹解锁相比,极大地推动了屏下光学指纹识别的应用和发展。特别是APEX 2019概念机,更是实现了全屏幕超大面积的指纹识别,达到了屏幕指纹识别面积的极致,为四指甚至掌纹识别奠定了物理基础,安全级别将达到银行金库的水平。

  然而,虽然2018年6月图像光导识别材料工艺已经定型,但承担微光夜视核心材料研发保障任务的中国建材总院生产线产能已接近饱和,无法满足智能手机领域规模化生产配套需求,必须异地建厂量产。

  听完研发团队带头人贾金升的项目汇报,中国建材总院院长姚燕高度重视,亲自向集团领导做了专题汇报,在当前供给侧结构性改革和“2422”压减任务繁重的紧要关头,为项目争取到成立一家新公司进行成果转化和产业化发展的宝贵名额,成立中建材光芯科技有限公司。

  以姚燕为首的中国建材总院领导班子对项目产业化高度重视,多次亲自带队到云南、河北、天津、山东等省市进行实地考察。

  经过几轮洽谈和沟通协调,2018年11月16日,在时任中国建材集团董事长、党委书记宋志平等领导的见证下,中国建材总院与枣庄市市中区政府、枣庄经济开发区签署了项目合作协议,选址枣庄市经济开发区进行项目建设。项目分三期建设,其中一期投资3亿元,建设年产能1000万片的生产线,并于2018年11月23日在山东省枣庄市经济开发区正式动工建设。

  作为枣庄市推动新旧动能转换、加快高质量发展的“明星”项目,在总包方和建设方的辛勤努力下,“图像光导识别材料”项目一期工程仅用时10个月,便已完成土建、厂房、设备等全部建设工作,创造了总院速度、枣庄速度。2019年9月18日,中国建材集团(枣庄)新材料产业园举行了隆重的开园仪式,“图像光导识别材料”生产线正式建成投产,开启了新的征程。

  多年努力终于进入民用领域

  “图像光导识别材料”项目是中国建材总院多年来致力于“科技领先、服务建设”的一个缩影。

  这种探索和努力坚持了几十年。

  至今贾金升还清晰记得1994年7月29日到当时中国建材总院所属的特种玻璃纤维与光电功能材料研究所报道时,被光纤面板的神奇功能惊艳到的心情。当时光纤已经是很高大上的材料了,能把上千万根光纤熔合到一起用于传像,并且还是微光夜视仪的重要元件,一种自豪感油然而生。随着工作学习的深入,这种自豪感很快破碎,产品综合性能与用户要求的差距、与国外的差距,几乎让人绝望。

  后来经过十余年的艰苦努力,项目团队研制生产的光纤面板、光纤倒像器批量进入了国际市场,甚至在印度等国际市场上,跟美国公司正面PK,并最终赢得订单。至此,美国产品不再神圣,特别是法国用户亲口说出,“美国公司的产品跟你们差不多!”贾金升说,当时特意看了下日历,距离参加工作的日子,已近20年,突然有了种如释重负的感觉!

  时间进入2017年,面对市场、科技、成本等多方面不利因素影响,对于刚任院长的贾金升来说,压力巨大。这也恰恰是项目团队长期以军品配套为主的重大风险,因此如何尽快开拓光纤制品的民用市场,打破玻纤院发展的“天花板”,成了贾金升的一种“执念”。

  事实上,早在2006年前后项目团队便提出了“军民并举”的工作方针,也开始出口国际市场,但始终没有脱离微光夜视的应用领域,真正的民品开发及市场开拓进展缓慢。

  直到2016年初,项目团队开始尝试将光纤面板用于便携式超薄指纹识别模组,进而研发出大面积图像光导识别材料,进入智能手机屏幕指纹识别领域。

  2019年12月4日,中国建材集团董事长、党委书记周育先到中国建材总院调研指导工作,对中国建材总院科技创新、成果转化、改革发展、党的建设等工作给予了充分肯定,强调中国建材集团作为国有资本投资公司试点,必须大力发展新材料产业,注重用基础材料产业的经济效益反哺新材料产业的科研创新,培育众多具有市场竞争力和国际竞争力的新材料产品,努力打造世界一流综合性建材和新材料产业投资公司。

  贾金升表示,未来项目团队将坚持科技领先、服务建设,推动公司治理能力提升,实现高质量发展,为新材料产业发展贡献力量。

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